Cảm biến công nghiệp : Cảm biến quang part 5 pptx

-44-
V
P
- điện áp thắt kênh.
Khi bị chiếu sáng, chuyển tiếp P-N hoạt động nh một photodiot cho dòng ngợc:

P0r
III +=
I
P
= S
g
- dòng quang điện.
I
0
- dòng điện trong tối.
S
g
- độ nhạy của điot cổng - kênh.
- thông lợng ánh sáng.
Dòng I
r
chạy qua điện trở R
g
của mạch cổng xác định điện thế V
GS
và và dòng máng:

()
gP0gGS

EIIRV

+=
E
g
- thế phân cực của cổng.
Phototranzito hiệu ứng trờng đợc ứng dụng nhiều trong việc điều khiển điện
áp bằng ánh sáng.
2.3. Cảm biến quang điện phát xạ
2.3.1. Hiệu ứng quang điện phát xạ

Hiệu ứng quang điện phát xạ hay còn đợc gọi là hiệu ứng quang điện ngoài là
hiện tợng các điện tử đợc giải phóng khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng khi chiếu
vào chúng một bức xạ ánh sáng có bớc sóng nhỏ hơn một ngỡng nhất định và có
thể thu lại nhờ tác dụng của điện trờng.
Cơ chế phát xạ điện tử khi chiếu sáng vật liệu xẩy ra theo ba giai đoạn:
- Hấp thụ photon và giải phóng điện tử bên trong vật liệu.
- Điện tử vừa đợc giải phóng di chuyển đến bề mặt.
- Điện tử thoát khỏi bề mặt vật liệu.
Khi một điện tử hấp thụ photon và đợc giải phóng, di chuyển của nó trong
khối vật liệu mang tính ngẫu nhiên theo mọi hớng, do đó chỉ một lợng rất nhỏ
hớng tới bề mặt. Mặt khác, trong quá trình di chuyển, các điện tử này có thể va
chạm với các điện tử khác và mất đi một phần năng lợng do đó chỉ một lợng nhỏ
điện tử đợc giải phóng tới đợc bề mặt. Mặt khác, sự phát xạ của các điện tử sau
khi đã đến đợc bề mặt chỉ có thể xẩy ra khi động năng của nó đủ thắng đợc hàng
rào thế phân cách vật liệu với môi trờng.
Với tất cả những điều kiện trên, số điện tử phát xạ trung bình khi một photon bị
hấp thụ (hiệu suất lợng tử ) thờng nhỏ hơn 10% và ít khi vợt quá 30%.

-45-

Vật liệu chế tạo: Phụ thuộc vào bớc sóng ánh sáng, vật liệu chế tạo photocatot
có thể chọn trong các loại sau:
- AgOCs nhạy ở vùng hồng ngoại.
- Cs
3
Sb, (Cs)Na
2
KSb và K
2
CsSb: nhạy với ánh sáng nhìn thấy và vùng tử ngoại.
- Cs
2
Te, Rb
2
Te và CsTe chỉ nhạy trong vùng tử ngoại.
Hiệu suất lợng tử của các vật liệu trên ~ 1 - 30%.
Ngoài ra còn dùng các hợp chất của các chất thuộc nhóm III - V, đó là các hợp chất
GaAs
x
Sb
1-x
, Ga
1-x
In
x
As, InAs
x
P
1-x
, ngỡng nhạy sáng của chúng nằm ở vùng hồng

ngoại (

~1
à
m), hiệu suất lợng tử đạt tới 30%.
2.3.2. Tế bào quang điện chân không
Tế bào quang điện chân không gồm một ống hình trụ có một cửa sổ trong suốt,
đợc hút chân không (áp suất ~ 10
-6
- 10
-8
mmHg). Trong ống đặt một catot có khả
năng phát xạ khi đợc chiếu sáng và một anot.











Sơ đồ tơng đơng và sự thay đổi của dòng anot I
a
phụ thuộc vào điện thế anot -
catot V
ak
biểu diễn trên hình 2.25.

A
K
Hình 2.24 Sơ đồ cấu tạo tế bào quang điện chân không
A
K

A
K
K
A
I
a

E
R
m

I
a
(

à
A)
V
ak
(V)
4,75 mW
2,37 mW
0,95 mW
4
3
2
1
0
20 40 60 80 100 120
Hình 2.25 Sơ đồ tơng đơng và đặc trng I - v của tế bào quang điện chân không
a)
b)

-46-
Đặc trng I - V có hai vùng rõ rệt:
+ Vùng điện tích không gian đặc trng bởi sự tăng mạnh của dòng khi điện áp
tăng.
+ Vùng bảo hoà đặc trng bởi sự phụ thuộc không đáng kể của dòng vào điện
áp.
Tế bào quang điện đợc sử dụng chủ yếu trong vùng bảo hoà, khi đó nó giống
nh một nguồn dòng, giá trị của dòng chỉ phụ thuộc vào thông lợng ánh sáng mà
nó nhận đợc. Điện trở trong

của tế bào quang điện rất lớn và có thể xác định từ
độ dốc của đặc tuyến ở vùng bảo hoà:

=

ak
a
dV
dI
1

Độ nhạy phổ của tế bào quang điện đợc biểu diễn thông qua giá trị của dòng anot
trong vùng bão hoà, thờng vào cỡ 10 - 100 mA/W.
2.3.3. Tế bào quang điện dạng khí
Tế bào quang điện dạng khí có cấu tạo tơng tự tế bào quang điện chân không,
chỉ khác ở chỗ thể tích bên trong của đèn đợc điền đầy bằng khí, thờng là khí
acgon, dới áp suất cỡ 10
-1
- 10
-2
mmHg.

Khi điện áp thấp hơn 20V, đặc tuyến I - V có dạng giống nh tế bào quang
điện chân không. Khi điện áp cao, điện tử chuyển động với tốc độ lớn làm ion hoá
các nguyên tử khí, kết quả là dòng anot tăng lên từ 5 - 10 lần.
2.3.4. Thiết bị nhân quang
Khi bề mặt vật rắn bị bắn phá bởi các điện tử có năng lợng cao, nó có thể phát
xạ các điện tử (gọi là phát xạ thứ cấp). Nếu số điện tử phát xạ thứ cấp lớn hơn số
0,5.10
-2
lm
Hình 2.26 Đặc trng và độ nhạy của tế bào quang điện dạng khí
I
a
(àA)
V
ak
(V)
2
1
0
20 40 60 80 100 120
10
-2
lm

1,5.10
-2
lm
2.10
-2
lm
V
ak
(V)
6
2
0
20 40
60
80
4
8
Độ nhạy tơng đối

-47-
điện tử tới thì có khả năng khuếch đại tín hiệu. Sự khuếch đại đợc thực hiện bằng
các thiết bị nhân quang (hình 2.27).
Các điện tử tới (điện tử sơ cấp) đợc phát xạ từ một photocatot đặt trong chân
không và bị chiếu sáng. Sau đó chúng đợc tiêu tụ trên đợc cực thứ nhất của dãy
các điện cực (dynode) nối tiếp. Bề mặt các điện cực nối tiếp phủ bằng vật liệu có
khả năng phát xạ điện tử thứ cấp. Theo chiều đi từ điện cực thứ nhất đến các điện
cực tiếp theo, điện thế của các điện cực tăng dần sao cho các điện tử sinh ra từ điện
cực thứ k sẽ bị hút bởi điện cực thứ (k+1). Kết quả ở điện cực sau số điện tử lớn hơn
ở điện cực trớc đó.

Hệ số khuếch đại của thiết bị nhân quang xác định theo công thức:
()
n
tc
M =

c
- hệ số thu nhận điện tử hữu hiệu của các cực.

t
- hệ số chuyển tải hữu hiệu từ điện cực này sang điện cực khác.
- hệ số phát xạ thứ cấp (số điện tử thứ cấp phát ra khi có một điện tử đập vào điện
cực).
Với số điện cực n = 5 - 15, hệ số phát xạ thứ cấp

= 5 - 10 và

t
> 90%, thì M
~10
6

- 10
8
.





Hình 2.27 Thiết bị nhân quang
1)b Photocatot 2) Dynode (điện cực thứ cấp)
K
A

1
2

-48-